Les cellules placentaires portent un génome différent du génome maternel, puisque 50% de leurs gènes proviennent du génome paternel. Cependant, comme les cellules cancéreuses après la transformation néoplasique, elles réussissent à envahir les tissus de leur hôte, échapper à son système immunitaire et induire une angiogenèse afin d’établir la grossesse. Les cellules cancéreuses et placentaires arborent aussi une différence majeure : alors que de tels mécanismes typiques des cancers sont incontrôlés dans les cellules cancéreuses, ils sont spatialement et temporairement contrôlés dans les cellules placentaires saines. Ainsi, le recherche sur le « concept cancer/placenta » – l’utilisation du placenta pour mieux comprendre le cancer – peut aboutir à l’identification de biomarqueurs et d’approches thérapeutiques innovantes en oncologie, tout comme en gynécologie-obstétrique. Par exemple, les efforts de recherche portant sur l’expression des gènes CGB, codant pour la sous-unité ß de l’hormone chorionique gonadotrope humaine, dans les cellules cancéreuses et placentaires a mené au développement d’un biomarqueur largement utilisé pour la prise en charge de multiples cancers. Il est aussi intéressant de noter que ce même biomarqueur est aussi utilisé pour le dépistage d’aneuploïdies fœtales. De même, le clonage d’INSL4, codant pour le précurseur du peptide placentaire précoce ressemblant à l’insuline (pro-EPIL), dans des cellulaires placentaires précoces, a mené au développement d’un biomarqueur faisant actuellement l’objet d’études cliniques. Avec l’émergence de l’épigénétique, des études de la méthylation de l’ADN, la caractéristique épigénétique la mieux comprise, ont montré que les loci de gènes CGB et INSL4 sont hypométhylés dans les cellules cancéreuses et placentaires ; ce qui pourrait refléter l’hypométhylation globale caractéristique de ces deux types cellulaires. Par conséquent, le projet doctoral présenté dans cette thèse a exploré les modifications des paysages épigénétiques des cellules placentaires au cours de la grossesse et des cellules cancéreuses au cours de la transformation néoplasique. Ce projet a contribué initialement au développement d’un test d’immunoanalyse qui détecte l’hCGß de type II, spécialement codée par un sous-groupe de gènes CGB et détectée dans le sérum de patients atteints de cancers non-placentaires et de trisomie 21 fœtale. Ce test d’immunoanalyse, avec un test similaire développé pour la détection de pro-EPIL, a aussi été utilisé pour des études de preuve de concept précoces quant à l’effet de la méthylation de l’ADN sur l’expression de l’hCGß de type II et de pro-EPIL dans des surnageants de culture cellulaire. En fin de compte, ce projet a mené à la première comparaison directe et pan-génomique de la méthylation de l’ADN dans des cellules cancéreuses au cours de la transformation néoplasique et dans des cellulaires placentaires au cours de la grossesse. Cette étude a porté sur des données, disponibles publiquement, générées à partir de biopsies de 13 types de tumeurs, de villosités choriales (tissus placentaires) et d’autres tissus sains. Elle a également porté sur des données originales générées par nos soins à partir d’échantillons placentaires uniques : des cellules cytotrophoblastiques isolées de villosités choriales ex vivo. Toutes les données inclus dans cette étude ont été générées sur une plateforme de puces à ADN pour la mesure de la méthylation au niveau de 485 512 sites CpG pour chaque échantillon. En combinant, des logiciels innovants reposant sur la puissance d’algorithmes de lissage statistique et sur un solide rationnel biologique, cette étude a ainsi contribué à l’identification de motifs d’hypométhylation à l’échelle du mégabase distinguant les cellules placentaires du début de la grossesse de celles de la fin de la grossesse tout comme ils distinguent les cellules cancéreuses des cellules normales. (...) / Placental cells carry a genome different from the maternal genome, as 50% of it originate from the paternal genome. However, like cancer cells after neoplastic transformation, they successfully invade their host tissues, escape its immune system and induce angiogenesis in order to establish the pregnancy. Cancer and placental cells also display a major discrepancy: while such hallmarks of cancer mechanisms are uncontrolled in cancer cells, they are spatially and temporally controlled in healthy placental cells. Thus, research on the “cancer/placenta concept” – the use of the placenta to better understand cancer – can lead to innovative biomarkers and therapeutic approaches in oncology as well as in gynecology and obstetrics. For example, research efforts on the expression of the CGB genes, encoding for the human chorionic gonadotropin beta subunit (hCGß), in cancer and placental cells have led to the development of a biomarker widely used for the management of various cancers. Interestingly, this same biomarker is also used for the screening of fetal aneuploidies. Likewise, the cloning of INSL4, encoding for the precursor of the early placenta insulin-like peptide (pro-EPIL) in early pregnancy placental cells, has led to the development of a biomarker currently investigated in the clinical setting. Following the rise of epigenetic, studies on DNA methylation, the most well understood epigenetic mark, showed that the loci of CGB genes and INSL4 are hypomethylated in cancer and placental cells, which may reflect a global hypomethylation also characteristic of these cells. Therefore, the doctoral project presented in this dissertation had explored modifications in the epigenetic landscape of placental cells throughout pregnancy and cancer cells throughout neoplastic transformation. This project initially contributed to the development of an immunoassay detecting type II hCGß, specifically encoded by a subset of CGB genes and detected in the serum of patients with non-placental cancers and fetal Down Syndrome. This immunoassay, along with another one directed to pro-EPIL, was also used for an early proof of concept study regarding the effect of DNA methylation on the expression of type II hCGß and pro-EPIL in cell culture supernatants. Ultimately, this project led to the first direct genome-wide comparison of DNA methylation in cancer cells throughout neoplastic transformation and in placental cells throughout pregnancy. It included publically available data generated from biopsies of 13 types of tumors, chorionic villi (placental tissues) and other normal tissues. It also included original data generated from unique placental samples: villous cytotrophoblastic cells isolated ex vivo from chorionic villi. All datasets were generated on a microarray platform measuring DNA methylation at 485,512 CpG sites in each sample. Combining innovative software that leverages the power of statistical smoothing algorithms and a strong biological rationale, this study thus contributed to the identification of megabase-scale patterns of hypomethylation distinguishing early pregnancy from late pregnancy placenta cells as they distinguish normal from cancers cells. Strikingly, the affected genomic regions encompassed genes related to hallmarks of cancer mechanisms such as epithelial-mesenchymal transition (EMT), innate and acquired immune response, and hypoxia. Taken together, these results suggest the hypothesis that patterns of DNA methylation might contribute to “cancer/placenta epigenetic switches” allowing placental implantation and neoplastic transformation when turned “on”, while preventing the placenta to degenerate into an aggressive tumor when turned “off”.

Le domaine de l'épigénétique couvre l'ensemble des phénomènes héritables et transmissibles qui interviennent dans l'expression du génome sans modifier la séquence nucléotidique. L'information épigénétique est régulée par les modifications de la chromatine impliquant les histones et l'ADN. La méthylation de l'ADN est un phénomène réversible jouant un rôle crucial dans l'expression des gènes puisque la méthylation des promoteurs de gènes empêche leur transcription. La modulation aberrante de cette marque épigénétique est associée à diverses pathologies telles que le cancer. Cette méthylation étant réversible, elle peut être ciblée afin de reprogrammer la cellule cancéreuse. Les méthyltransferases d'ADN (DNMT), étant les enzymes responsables de la méthylation, représentent la cible principale de notre stratégie de recherche. Leur inhibition par des petites molécules est au centre de nos recherches de thérapies anticancéreuses dont les bases sont représentées par deux catégories d'inhibiteurs de DNMT existant. Les premiers sont des analogues de cytosine qui est la cible de la méthylation. Ils sont connus pour s'intégrer dans l'ADN et former un complexe covalent irréversible avec l’enzyme (complexe suicide) mais ils souffrent d'un manque de stabilité et de certains effets indésirables dus à leur incorporation dans l’ADN. Les seconds sont les inhibiteurs non nucléosidiques qui sont divers et parfois connus pour cibler d’autres enzymes. Ils ont l’avantage de pouvoir être utilisés comme sondes pour comprendre plus précisément le mécanisme d'inhibition mais ils manquent de spécificité et de sélectivité. Au cours de cette thèse, une banque de molécules a été criblée à partir de la combinaison d'un test enzymatique et d'un test cellulaire visant à inhiber ces enzymes. Les synthèses de trois familles de molécules potentiellement inhibitrices de DNMT issus de ce criblage sont décrites en expliquant le chemin de drug design emprunté pour obtenir des informations mécanistiques d’inhibition de la méthylation d’ADN, notamment de réactivité avec la cible. Les découvertes ont été inspirées par des études de modélisation permettant de mettre en évidence une sélectivité de certains inhibiteurs. La synthèse chimique a également abouti à une nouvelle voie de synthèse d’accès aux diaminopyrimidines dont l’impact permet de faciliter les études chimiques de dérivés quinazolines comme inhibiteur non nucléosidiques utiles pour les thérapies anticancéreuses. / Epigenetic is defined as the study of heritable changes in the genes expression without altering the DNA sequence. Two main processes are implicated in this field, the histones modifications and the DNA methylation. By introducing an acetyl or a methyl group on the histone tails or by methylation of DNA, the chromatin state is modified and the gene expression is controlled. Aberrant epigenetic modifications are associated with several diseases, in particular with cancer. In cancer cells, the whole DNA is hypomethylated, thus promoting genome instability, while the promoter region is hypermethylated, inducing silencing of these genes. Overall, these observations indicate that DNA methylation is a central epigenetic process in cancerogenesis. Since DNA methylation is reversible, it is possible to target the methylation process in order to reactivate tumor suppressor genes. The DNA methyltransferases (DNMTs), the enzymes responsible for DNA methylation, use the SAM co-factor at specific CpG sites to product 5-methylcytosine. Three main isoforms (DNMT1, DNMT3A and DNMT3B) are described to ensure efficient methylation process during replication. Two families of DNMT inhibitors already exist, the nucleosidiques analogues are cytidine derivatives and are toxic molecules because of their incorporation into DNA, and the non-nucleosidic analogues are less toxic but also less potent. Our strategy of drug design is based on docking study and high throughput screening (HTS) information. First, novel potent derivatives of reference inhibitors are designed from molecular modelling. Then, three different families of compounds from HTS are described with appropriate structure-activity relationship studies. Mechanistic information on DNA methylation process are described through the discovery of a reactive inhibitor of DNMT3A. The study on a family of hydrazone derivatives of gallic acid is depicted and shows its selectivity for DNMT3A, compared to DNMT1, based on docking study. An alternative chemical pathway to diaminopyrimidines is described and extended to the synthesis of quinazolone in order to synthesize new quinazoline derivatives as potent inhibitors of DNMT. Promising informations are described in this thesis to enrich epigenetic knowledge of tumor genesis and to provide new molecules for anticancer therapy.

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Malgré la stabilité historiquement associée à la méthylation de l’ADN, cette modification épigénétique subit des changements rapides importants dans les types cellulaires plus plastiques. Par exemple, l’infection de cellules dendritiques humaines est associée à des milliers de changements dans le paysage de méthylation, principalement des pertes de méthylation dans les amplificateurs. Cette déméthylation est corrélée à l’apparition de marques actives d’histones et à l’activation des gènes à proximité. Dans la présente thèse, le rôle plus précis de cette déméthylation active a été investigué. Une étude temporelle de l’infection de cellules dendritiques par Mycobacterium tuberculosis a révélé que les changements d’expression génique et la liaison des facteurs de trancription classiquement activés en réponse à une infection bactérienne, comme les familles de NF-B et AP-1, étaient préalables aux changements de méthylation, suggérant un rôle minimal de la déméthylation dans la réponse à l’infection. D’autres résultats allaient dans le même sens, soit en inhibant TET2, une enzyme participant à la déméthylation active de l’ADN dans les cellules dendritiques via sa conversion en intermédiaires. En effet, l’impact d’une telle inhibition sur la réponse transcriptionnelle à l’infection par Salmonella typhimurium était minime. Cependant, l’inhibition de TET2 entraîne un niveau basal d’expression de cytokines pro-inflammatoires plus élevé, ce qui m’entraîne à proposer que la déméthylation puisse participer au retour à la normale post-infection. Elle pourrait également avoir une fonction dans la mémoire immunitaire innée en permettant une réponse plus rapide à une seconde infection, un phénomène surtout démontré dans les monocytes et les macrophages, mais mis en évidence dans les cellules dendritiques dans la présente thèse. Ainsi, cette étude ouvre de nombreuses perspectives dans la thérapie épigénétique contre les maladies auto-immunes, le développement de vaccins ciblant le système immunitaire inné, et l’utilisation de la méthylation de l’ADN comme biomarqueur d’infections. / DNA methylation has historically been perceived as a highly stable epigenetic modification. However, rapid and important changes in its landscape occur in cells with higher plasticity. For example, human dendritic cells infection associated with thousands of changes of DNA methylation, majoritarily losses in enhancer regions. This demethylation is correlated with gain of active histone marks and nearby gene upregulation. The present dissertation investigated the precise role of this demethylation. Firstly, a temporal study of dendritic cells infected with Mycobacterium tuberculosis revealed that gene expression changes and the classical immune transcription factors binding, such as members of the NF-B or AP-1 families, occurred prior to DNA methylation changes. This suggests a minimal function of demethylation in response to infection. Results from a TET2 inhibition an enzyme participating to active demethylation by converting 5-methylcytosine to intermediates were concordant with this hypothesis. Indeed, this inhibition has a very small impact on transcriptional response to an infection by Salmonella typhimurium. Nevertheless, the pro-inflammatory cytokine production of TET2-inhibited non-infected cells is higher. I therefore propose that demethylation might play a role in the return to basal state after an infection is cleared. It could also participate to innate immune memory by allowing cells to respond faster to a second infection. This phenomenon has especially been demonstrated in monocytes and macrophages but is also highlighted in dendritic cells in the present work. This dissertation opens numerous perspectives in epigenetic therapy of auto-immune diseases, the development of vaccines targeting the innate immune system and the use of DNA methylation as a biomarker.

Objective: To determine the association between smoking and occupational exposures, and DNA methylation levels in the lung cancer-related genes, AHRR and F2RL3. Methods: CARTaGENE is the largest ongoing prospective cohort study in Quebec, Canada. Currently, a nested case-control study in CARTaGENE is examining the association between AHRR and F2RL3 gene methylation and lung cancer risk (200 cases; 400 controls). Using the methylation data measured from this nested case-control study, information on participants’ smoking behavior and longest-held occupation were obtained from questionnaires. Information on smoking status and, where applicable, the average number of cigarettes smoked, duration of smoking, and time since cessation, was parameterized into a cumulative smoking index (CSI, continuous). Occupational exposures were estimated using the Canadian Job Exposure Matrix. Eighteen agents present in the occupational environment that are also found in cigarette smoke were of interest. In DNA isolated from blood samples collected at baseline, methylation ratios of 40 CpG sites in the AHRR and F2RL3 genes were measured using the Sequenom Epityper. In each gene, average methylation levels across all CpG sites were calculated and parametrized as a continuous variable. Separate least squares regression models were used to estimate the associations between smoking and occupational exposures, and AHRR and F2RL3 methylation levels while adjusting for potential confounders identified using directed acyclic graphs. Results: In both genes, smoking was associated with lower average methylation levels after adjusting for confounding factors (AHRR: -0.014 per standard deviation increase in CSI, 95% CI: -0.019, -0.010; F2RL3: -0.019 per standard deviation increase in CSI, 95% CI: -0.025, -0.012). No association was found between the selected occupational exposures and average DNA methylation levels in the two genes. Conclusion: Our findings support the hypothesis that tobacco smoking is associated with DNA hypomethylation of the AHRR and F2RL3 genes. / Objectif: Déterminer l’association entre le tabagisme et les expositions professionnelles, et les niveaux de méthylation dans les gènes AHRR et F2RL3, deux gènes impliqués dans le cancer du poumon. Méthodes : CARTaGENE est la plus grande étude de cohorte prospective au Québec, Canada. Actuellement, une étude de cas-témoin nichée dans CARTaGENE examine l’association entre la méthylation des gènes AHRR et F2RL3 et le risque de cancer du poumon (200 cas; 400 témoins). En utilisant les données de méthylation mesurées à partir de cette étude de cas-témoin nichée, les informations à propos du comportement tabagique et de l’emploi avec la plus longue durée des participants ont été obtenues à partir de questionnaires. Les informations concernant le statut tabagique, le nombre moyen de cigarettes fumées, la durée du tabagisme et le temps depuis la cessation (quand applicable) ont été paramétrées sous la forme d’un index cumulatif de tabagisme (continu). Les expositions professionnelles ont été estimées à partir de la matrice canadienne de l’exposition professionnelle. Dix-huit agents présents dans les milieux professionnels et également présents dans la fumée de tabac ont été retenus. Les ratios de méthylation de 40 sites CpG dans les gènes AHRR et F2RL3 ont été mesurés avec le Sequenom Epityper. La moyenne des ratios de méthylation de tous les sites CpG a été calculée par gène et paramétrée comme une variable continue. Des modèles séparés de régression des moindres carrés ont été utilisés pour estimer les associations entre chacun des facteurs de risque et les niveaux de méthylation des gènes AHRR et F2RL3 tout en ajustant pour des variables confondantes identifiées à l’aide de graphes acycliques dirigés. Résultats : Le tabagisme est associé avec des niveaux moyens de méthylation plus faible dans chacun des gènes après ajustement pour les variables confondantes (AHRR : -0.014 par augmentation de l’écart-type de l’index cumulatif de tabagisme, 95% IC : -0.019, -0.010; F2RL3 : -0.019 par augmentation de l’écart-type de l’index cumulatif de tabagisme, 95% IC : -0.025, -0.012). Aucune association n’a été observée entre les expositions occupationnelles sélectionnéeset les niveaux de méthylation dans ces deux gènes. Conclusion : Nos observations indiquent que le tabagisme est associé avec une hypométhylation des gènes AHRR et F2RL3.

Suite à l’exposition à des facteurs de risque incluant la malnutrition, la dyslipidémie, la sédentarité et les désordres métaboliques, les maladies cardiovasculaires (MCV) sont caractérisées par un état pro-oxydant et pro-inflammatoire, et une dérégulation de l’expression de divers facteurs responsables de l’homéostasie de l’environnement rédox et inflammatoire. L’implication d’enzymes antioxydantes telles que les superoxyde dismutases (SOD) et les glutathion peroxydases (Gpx), ainsi que la contribution de médiateurs pro-inflammatoires tels que l’angiopoietin-like 2 (Angptl2) ont été rapportées dans le cadre des MCV. Toutefois, les mécanismes moléculaires sensibles aux facteurs de risque et menant au développement des MCV sont peu connus. L’épigénétique est un mécanisme de régulation de l’expression génique sensible aux stimuli extracellulaires et pourrait donc contribuer au développement des MCV. La méthylation de l’ADN est un des mécanismes épigénétiques pouvant varier tant de manière gène-spécifique qu’à l’échelle génomique, et la conséquence de tels changements sur l’expression des gènes ciblés dépend du site de méthylation. Puisqu’il a été démontré que des variations au niveau de la méthylation de l’ADN peuvent être associées à divers contextes pathologiques incluant les MCV, le but de nos travaux était d’étudier le lien entre la méthylation de gènes antioxydants et pro-inflammatoires avec leurs répercussions fonctionnelles biologiques en présence de facteurs de risques associés aux MCV, tels que le vieillissement, la dyslipidémie et la sédentarité. Dans la première étude, nous avons observé que dans l’artère fémorale de souris vieillissantes, la méthylation au niveau du promoteur du gène Sod2, codant pour l’enzyme antioxydante superoxyde dismutase de type 2 (SOD2 ou MnSOD), diminue avec l’âge. Ceci serait associé à l’induction de l’expression de MnSOD, renforçant ainsi la défense antioxydante endogène. Le vieillissement étant associé à une accumulation de la production de radicaux libres, nous avons étudié la vasodilatation dépendante de l’endothélium qui est sensible au stress oxydant. Nous avons observé que la capacité vasodilatatrice globale a été maintenue chez les souris âgées, aux dépens d’une diminution des facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) et d’une contribution accentuée de la voie du monoxyde d’azote (NO). Nous avons ensuite utilisé deux approches visant à réduire les niveaux de stress oxydant in vivo, soit la supplémentation avec un antioxydant, la catéchine, et l’exposition chronique à de l’exercice physique volontaire. Ces interventions ont permis de prévenir à la fois les changements au niveau de la fonction endothéliale et de l’hypométhylation de Sod2. Cette première étude démontre donc la sensibilité de la méthylation de l’ADN à l’environnement rédox. Dans la deuxième étude, nous avons démontré une régulation de l’expression de l’enzyme antioxydante glutathion peroxydase 1 (Gpx1) en lien avec la méthylation de son gène codant, Gpx1, dans un contexte de dyslipidémie sévère. Nos résultats démontrent que dans le muscle squelettique de souris transgéniques sévèrement dyslipidémiques (LDLr-/-; hApoB+/+), Gpx1 est hyperméthylé, ce qui diminue l’expression de Gpx1 et affaiblit la défense antioxydante endogène. Chez ces souris, l’exercice physique chronique a permis d’augmenter l’expression de Gpx1 en lien avec une hypométhylation transitoire de son gène. Cette étude démontre que le stress oxydant associé à la dyslipidémie sévère altère les mécanismes de défense antioxydante, en partie via un mécanisme épigénétique. De plus, on observe également que l’exercice physique permet de renverser ces effets et peut induire des changements épigénétiques, mais de manière transitoire. La troisième étude avait pour but d’étudier la régulation de l’Angptl2, une protéine circulante pro-inflammatoire, dans le contexte des MCV. Nous avons observé que chez des patients coronariens, la concentration circulante d’Angptl2 est significativement plus élevée que chez des sujets sains et ce, en lien avec une hypométhylation de son gène, ANGPTL2, mesurée dans les leucocytes circulants. Nous sommes les premiers à démontrer qu’en réponse à l’environnement pro-inflammatoire associé à une MCV, l’expression de l’Angptl2 est stimulée par un mécanisme épigénétique. Nos études ont permis d’identifier des nouvelles régions régulatrices différentiellement méthylées situées dans les gènes impliqués dans la défense antioxydante, soit Sod2 en lien avec le vieillissement et Gpx1 en lien avec la dyslipidémie et l’exercice. Nous avons également démontré un mécanisme de régulation de l’Angptl2 dépendant de la méthylation d’ANGPTL2 et ce, pour la première fois dans un contexte de MCV. Ces observations illustrent la nature dynamique de la régulation épigénétique par la méthylation de l’ADN en réponse aux stimuli environnementaux. Nos études contribuent ainsi à la compréhension et l’identification de mécanismes moléculaires impliqués dans le développement du phénotype pathologique suite à l’exposition aux facteurs de risque, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques. / Following exposure to risk factors including malnutrition, dyslipidemia, physical inactivity and metabolic disorders, cardiovascular diseases (CVD) are characterized by a pro-oxidative and pro-inflammatory state, and a dysregulation in the expression of various factors responsible for the redox and inflammatory environment homeostasis. The implication of antioxidant enzymes, such as superoxide dismutases (SOD) and glutathione peroxidases (Gpx), as well as the contribution of pro-inflammatory mediators such as angiopoietin-like 2 (Angptl2) are well characterized in the context of CVD. However, little is known about the molecular mechanisms sensitive to environmental cues leading to the development of CVD. Epigenetics are mechanisms regulating gene expression that are sensitive to extracellular stimuli and could therefore contribute to the pathogenesis of CVD. DNA methylation is an epigenetic mechanism that can vary both at gene and genomic levels; the consequence of these epigenetic changes on the expression of targeted genes is dependent on the methylation site. Since it has been reported that DNA methylation variations can be associated with diverse pathological conditions including CVD, the goal of our work was to study the link between the methylation of antioxidant and pro-inflammatory genes, and their consequences on biological functions in the context of risk factors associated with CVD, such as aging, dyslipidemia and physical inactivity. In the first study, we observed that in the femoral artery of aging mice, the methylation at the promoter of the Sod2 gene, which codes for the antioxidant enzyme superoxide dismutase, type 2 (SOD2 or MnSOD), decreases with age. This suggests an induction of MnSOD expression and thus a strengthening of the endogenous antioxidant defense. Since aging is associated with an accumulation of free radicals, we studied the endothelium-dependant vasodilation, known to be sensitive to oxidative stress. We observed that, overall, vasodilatory capacity was preserved in aging mice, due to a concomitant decrease in endothelium-derived hyperpolarizing factors (EDHF) and an increased contribution of the nitric oxide (NO) pathway. We then used two in vivo oxidative stress-reducing approaches, namely the supplementation with the antioxidant catechin and chronic exposure to voluntary physical exercise. These interventions prevented the changes in endothelial function and the Sod2 hypomethylation-dependent induction of MnSOD expression. Hence, this first study demonstrates the sensitivity of DNA methylation to the redox environment. In the second study, we demonstrated that the antioxidant enzyme glutathione peroxidase 1 (Gpx1) expression was regulated through the methylation of its coding gene, Gpx1, in the context of severe dyslipidemia. Our results show that in the skeletal muscle of severely dyslipidemic transgenic mice (LDLr-/-; hApoB+/+), Gpx1 is hypermethylated, which in turn decreased Gpx1 expression and weakened the endogenous antioxidant defense. In these mice, chronic physical exercise managed to increase Gpx1 expression, an effect linked with a transient gene hypomethylation. This study demonstrates that oxidative stress associated with severe dyslipidemia alters antioxidant defense mechanisms, partially through an epigenetic mechanism. Moreover, we also observed that physical exercise can revert these changes and can induce epigenetic changes, at least transiently. The goal of the third project was to study Angptl2 regulation, a circulating pro-inflammatory protein, in the context of CVD. We observed that, in coronary patients, circulating Angptl2 concentration is significantly increased in conjunction with hypomethylation of its gene, ANGPTL2, measured in circulating leukocytes. We are the first to show that in response to the pro-inflammatory environment associated with a CVD, Angptl2 expression is stimulated by an epigenetic mechanism. In conclusion, our studies allowed the identification of novel regulatory differentially methylated regions located in genes involved in antioxidant defense, namely Sod2, in the context of aging, and Gpx1 in the context of dyslipidemia and exercise. We also revealed, for the first time, an Angptl2 regulating mechanism dependent on ANGPTL2 methylation in a context of CVD. These observations illustrate the dynamic nature of epigenetic regulation through DNA methylation in response to environmental cues. Our studies therefore contribute to the understanding and identification of molecular mechanisms involved in the development of pathological phenotypes following exposure to risk factors, which opens the way to novel therapeutic strategies.

Au vu de l’impact croissant du changement climatique global et en particulier de la sécheresse sur les forêts, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de réponse des arbres face à des variations de disponibilité en eau. Ces dernières années, des études ont montré un contrôle épigénétique et notamment par la méthylation de l’ADN de la plasticité phénotypique des plantes en réponse aux variations environnementales. Dans ce contexte, cette thèse visait à évaluer le rôle de la méthylation de l’ADN des cellules du méristème apical caulinaire dans la plasticité développementale de la tige feuillée en réponse à des variations de disponibilité en eau chez le peuplier, un arbre modèle. A cette fin, le méthylome de la chromatine non condensée dans le méristème apical caulinaire de Populus trichocarpa a été caractérisé. Ensuite, l’impact de variations de disponibilité en eau sur la méthylation de l’ADN a été étudié dans l’apex caulinaire de différents hybrides (P. × euramericana). Les loci et les réseaux de gènes affectés pour leur expression et leur méthylation ont ainsi été identifiés. Ces travaux ont montré que dans le méristème apical caulinaire, la majorité des gènes étaient dans un état non condensé de la chromatine et méthylés dans leur corps. Ils ont également mis en évidence une forte variation de la méthylation globale de l’ADN selon les génotypes et en réponse à des variations de disponibilité en eau. De plus, des corrélations ont été établies entre les niveaux de croissance des arbres et de méthylation globale de l’ADN dans l’apex caulinaire. Enfin, les variations de la méthylation de l’ADN en réponse aux variations de la disponibilité en eau s’accompagnent de variations d’expression et ont ciblé particulièrement des gènes impliqués dans la signalisation par les phytohormones ou la morphogenèse. Ainsi, les travaux effectués lors de cette thèse suggèrent un rôle de la méthylation de l’ADN dans la plasticité phénotypique en réponse à des variations de disponibilité en eau chez le peuplier via le contrôle de l’expression de réseaux de gènes dans le méristème apical caulinaire. / Predicted climate changes and particularly drought represent a major threat to forest health. Therefore, understanding mechanisms that control trees response to variations in water availability is of great interest. These last years, epigenetic marks such as DNA methylation have been involved in plant phenotypic plasticity in response to environmental stresses. In this context, this work aimed at assessing the role of shoot apical meristem cells DNA methylation in the shoot developmental plasticity towards variations in water availability in poplar, a model tree. For this purpose, the methylome of non condensed chromatin in Populus trichocarpa shoot apical meristem was characterized. Then, the impact of variations in water availability on shoot apex DNA methylation in different hybrids (P. × euramericana) was studied. Loci and gene networks affected by DNA methylation and expression changes were thus identified. This work showed that in shoot apical meristem, most of the genes was in non condensed chromatin state with DNA methylation in their body. A strong variation in DNA methylation depending on genotypes and water availability was highlighted. Moreover, correlations between trees growth and shoot apex DNA methylation levels were established. Lastly, DNA methylation changes in response to variations in water availability correlated to expression variations were identified for genomic loci and gene networks. Thus, the work performed during this thesis suggests a role for DNA methylation in poplar phenotypic plasticity in response to variations in water availability through the control of gene networks transcription in the shoot apical meristem.

La méthylation de l’ADN et les modifications post-traductionnelles des histones sont desmodifications épigénétiques qui interviennent dans la régulation des éléments transposables(ET) chez de nombreuses espèces. La proportion des ET dans les génomes varie selon lesespèces considérées et pose la question des mécanismes de régulation de ces ET. Au sein del’espèce Drosophila simulans, les populations naturelles présentent un polymorphisme uniquedans le nombre de copies des ET, ce qui en fait un excellent modèle pour étudier cettequestion. L’étude de la méthylation d’ADN et des modifications post-traductionnelles deshistones associées au rétrotransposon à LTR tirant dans la lignée germinale des populationsnaturelles a permis de montrer l’influence d’une copie d’ET sur la structure de la chromatineau site d’insertion. Dans un second volet, nous avons cherché à caractériser la méthylation del’ADN chez la drosophile, chez laquelle la fonction est encore mal connue. Nous avons, pardes approches spécifiques et globales, mesuré l’abondance de cette marque épigénétique chezla drosophile. Nous concluons que les taux de méthylation de l’ADN sont très faibles maisvariables entre espèces. Notre travail n’a pas permis de mettre en évidence un rôle de laméthylation de l’ADN dans le contrôle des ET, toutefois, nous ne pouvons pas exclure cesystème de régulation. / Epigenetic modifications such as DNA methylation and post-translational histonemodifications are involved in transposable elements (TE) silencing in many species. Theirrelative abundance in genomes ask the question of differences in regulation mecanismbetween species. Within the Drosophila simulans species, natural populations exibits a uniquepolymorphism in TE copy number, providing a powerfull tool for the analysis of TEregulation in population from the same specie. We analyzed DNA methylation and posttranslationalhistone modifications associated with the LTR retrotransposon tirant in thegermline of natural populations and report the influence of this element on chromatinestructure. DNA methylation is a wide-conserved epigenetic modification involved in generegulation and TE silencing but its function in drosophila remains missunderstood. Usingdifferent methods, we determined the abundance of methylated cytosines in drosophila, andshowed that methylation level are low and variable between species. Our results show lowevidence for a TE regulation system involving DNA methylation but this cannot be so farexcluded.

Des changements de méthylation de l’ADN peuvent affecter l’expression des gènes et pour certains être transmis au travers des générations. De telles « épimutations » qui concernent des groupes de cytosines à proximité ou dans les gènes sont donc une source potentielle de variation phénotypique héritable en absence de changements de la séquence de l’ADN. Chez les plantes la méthylation de l’ADN est cependant principalement observée au niveau des séquences répétées. Il reste à déterminer dans quelle mesure les changements de méthylation au niveau de ce type de séquences peuvent être héritées et affecter les phénotypes. Afin de répondre à ces questions, plus de 500 épiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) quasi-isogéniques a été générée chez Arabidopsis thaliana. Cette population a été obtenue par le croisement d’un parent sauvage et d’un parent mutant pour le gène DDM1 présentant une très forte réduction du taux de méthylation de l’ADN. Après un rétrocroisement de la F1 avec une plante sauvage, les individus sauvages pour le gène DDM1 ont été sélectionnés et propagées sur 6 générations par autofécondation. Nous avons montré par l’analyse du méthylome de plus de 100 épiRIL que l’hypométhylation induite par ddm1 présente selon les séquences affectées différents degrés de transmission au travers des générations. La réversion de l’hypométhylation concerne des régions associées à une abondance élevée en sRNA de 24 nt. Nous avons utilisé l’hypométhylation stablement transmise dans les épiRIL induite par ddm1 afin de détecter des QTL (Quantitative Trait Loci) affectant le temps de floraison et la longueur de la racine primaire, deux caractères pour lesquels les variations observées dans les épiRIL présentent une héritabilité importante. En dernier lieu, nous avons recherché par différentes approches les variations causales de ces QTL. / Loss or gain of DNA methylation can affect gene expression and is sometimes transmitted across generations. Such epigenetic alterations, which concern clusters of cytosines located near or within genes, are thus a source of heritable phenotypic variation in the absence of DNA sequence change. In plants however, DNA methylation targets repeat elements predominantly and it remains unclear to which extent DNA methylation changes over repeat sequences can be inherited and affect phenotypes. To address these issues, a population of near-isogenic, epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) was generated in Arabidopsis thaliana. These were derived from a cross between a wild type and an isogenic ddm1 mutant line, in which DNA methylation is compromised specifically over repeat elements. After backcrossing of the F1 and selection of the progeny homozygous for wild-type DDM1, the epiRILs were propagated through six rounds of selfing. Analysis of the methylomes of more than 100 epiRILs and of the parents, indicates that ddm1-induced hypomethylation exhibit different patterns of inheritance through generations. Reversion of ddm1-induced hypomethylation is observed for regions associated with high level of 24 nt siRNA. Based on these findings, stable ddm1-induced hypomethylated regions were used to map quantitative trait loci (QTL) for flowering time and primary root length, two complex traits for which substantial heritable variation is observed in the epiRIL population. We finally analysed these QTL by different approaches to find their causal variations.

La transition épithélio-Mésenchymateuse (TEM) est un processus de plasticité cellulaire qui existe dans le développement embryonnaire et qui permet la formation des tissus et organes. Dans la cancérogénèse, ce processus est réactivé par des facteurs de transcription dont l’action implique très probablement un remodelage de la chromatine. La cartographie exacte de ces changements épigénétiques est peu connue à l’échelle du génome entier, même si il y a eu quelques études antérieures explorant les changements de quelques loci de façon bien ciblée. Ce mémoire traite du remodelage épigénétique médié par le facteur de transcription Twist1 dans un modèle de lignée mammaire immortalisée. L’architecture de ce remodelage a été cartographiée grâce à l’utilisation des techniques de haut-Débit pour analyser la méthylation de l’ADN (DREAM) et les modifications des histones (ChIPseq). Nos résultats montrent un changement majeur du méthylome pendant la TEM avec une hyperméthylation focale et une hypométhylation globale des corps des gènes prédominant au niveau des « domaines partiellement méthylés »; ces domaines sont déjà connus dans le développement pour gagner de façon concomitante à leur hypométhylation des marques d’histone répressives. Nous avons aussi observé un remodelage des domaines de l’histone répressive H3K27me3 avec une réduction de leur taille, et surtout le quasi doublement du nombre de gènes bivalents qui accompagne la transition. Le couplage de la méthylation de l’ADN avec le profil des microRNA nous a permis d’identifier le miR-203 comme l’unique microRNA régulé par méthylation de l’ADN durant la TEM; nous avons aussi montré que l’extinction épigénétique du miR-203 est requise pour la TEM et l’acquistion des propriétés de cellules souches. Enfin, nous avons réalisé une caractérisation génétique et/ou épigénétique de deux cancers rares, les carcinomes fibrolamellaires du foie et les carcinomes du rein à translocation. Pour les carcinomes fibrolamellaires du foie, nous avons décrit la nature endocrine de cette tumeur et établi une signature épigénétique basée sur la méthylation de l’ADN pouvant servir à différencier les formes histologiques appelées « pures » des formes « mixtes ». Pour les cancers du rein à translocation, nous avons montré les bases génétiques et épigénétiques de la différence entre les formes pédiatriques et adultes, avec la découverte fréquente du gain du bras chromosomique 17q dans les formes adultes. Nous avons aussi identifié une mutation récurrente dans le gène qui remodèle la chromatine INO80D appartenant à la famille INO80. En conclusion, ce travail explore le rôle de l’étude de l’épigénome pour comprendre la reprogrammation pendant les processus physiologiques comme la TEM d’une part et le cancer d’autre part. / The epithelial-Mesenchymal transition (EMT) is a process of cellular plasticity that exists in embryonic development and which allows the formation of tissues and organs. In carcinogenesis, the process is reactivated by transcription factors whose action probably involves chromatin remodeling. The exact mapping of these epigenetic changes is poorly understood genome-Wide, although there have been some previous studies exploring changes in so few well-Targeted loci. This thesis deals with the epigenetic remodeling mediated by the transcription factor Twist1 in a model of human mammary immortalized cell line. The architecture of this remodeling has been mapped through the use of high-Throughput techniques to analyze DNA methylation (DREAM) and histone modifications (ChIPseq). Our results suggest a major change in the EMT methylome with focal hypermethylation and gene body hypomethylation predominantly within "partially methylated domains"; these areas are already known in development to gain repressive histone marks concomitantly with DNA hypomethylation. We also observed landscape remodeling of repressive histone mark H3K27me3 with a reduction in domains size, and especially the almost doubling of the number of bivalent genes. The coupling of DNA methylation with the profile of microRNA has allowed us to identify miR-203 as single microRNA regulated by DNA methylation during EMT; we have also shown that epigenetic suppression of miR-203 is both required for EMT and acquisition of stem cell properties. Finally, we performed a genetic and/or epigenetic characterization of two rare cancers, named fibrolamellar hepatocellular carcinomas and translocation renal cell carcinomas. In fibrolamellar hepatocellular carcinoma, we described the endocrine nature of this tumor and established a signature based on DNA methylation which can be used to distinguish histological forms called "pure" from "mixed" fibrolamellar hepatocellular carcinomas. Regarding translocation renal cell carcinomas, we established the genetic and epigenetic basis of differences between pediatric and adult forms, characterized by frequent gain of 17q gain chromosomal arm in adults. We also identified recurrent mutations in the chromatin remodeling gene INO80D which belongs to INO80 family. In conclusion, this work explores the impact of analyzing the epigenome to understand reprogramming during physiological processes such as EMT and cancer.